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Space-division multiplexed entanglement distribution for applications in quantum communication
Evelyn Aracely Acuña Ortega
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (DissG: Physik)
Betreuer*in
Marcus Huber
DOI
10.25365/thesis.74486
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-26883.08932.487193-1
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Verschränkte Photonen sind das Herzstück der meisten Anwendungen der Quantenphotonik, von Bildgebungstechniken bis zu Quanteninformationsverarbeitung. Die effiziente Erzeugung verschränkter Photonen ist für all diese Anwendungen essentiell. Strategien, diese Photonen zu verteilen, sind jedoch nötig, um praktische Quantenkommunikation zu ermöglichen. Insbesondere die Entwicklung von Multiplexing-Schemata, basierend auf Verschränkung in mehreren Freiheitsgraden, wurde aktiv vorangetrieben. Die Technik führt nicht nur zur Inbetriebnahme von Quantenkanälen über lange Distanzen, sondern erlaubt es auch, sowohl mehr Information pro Photon zu übertragen, als auch neue Quantennetzwerk-Schemata mit mehreren Teilnehmern zu etablieren. Eine weit verbreitete Methode in moderner Telekommunikationsinfrastruktur ist space-division multiplexing (Raummultiplexing). In optischer Kommunikation kann das erreicht werden mit Mehrkernfasern (multicore fibers, MCF), die Licht durch mehrere Kerne im selben Faserstrang leiten. MCF werden ein essentieller Baustein moderner Telekommunikationsnetzwerke sein, weil durch sie die Datenübertragungsrate von Quantenkommunikationsprotokollen erhöht werden kann. Diese Arbeit präsentiert drei Experimente, die die Verteilung von Verschränkung mit polarisationsverschränkten Photonen, basierend auf ihren räumlichen Korrelationen durch eine MCF, erkunden. Das erste Experiment wurde durchgeführt, um die räumlichen Korrelationen von verschränkten Photonen bei Telekom-Wellenlängen, generiert durch spontane parametrische Abwärtskonvertierung (spontaneous parametric down-conversion, SPDC), zu charakterisieren. Indem wir die Kristalltemperatur kontrollierten, konnten wir die räumliche Propagation der Photonenpaare von kollinear zu nicht-kollinear. Das Experiment ermöglicht es also, solche Freiheitsgrade über MCF zu integrieren. In den nachfolgenden Experimenten verteilten wir mehrere polarisationsverschränkte Photonenpaare gleichzeitig und unabhängig, nur mithilfe einer einzelnen Quelle polarisationsverschränkter Photonen und räumlichen Multiplexing. Durch die hexagonale Anordnung der 19 Kerne und die Impulserhaltung im SPDC-Prozess ist es garantiert, dass die diametral entgegengesetzten Kerne einen polarisationsverschränkten Zustand mit hoher Fidelität teilen. Dies macht es möglich, die Secure-Key-Rate, generiert durch gegenüberliegende Kerne abzuschätzen, was den Weg ebnet dazu, effiziente Verteilung von Quantenkommunikation zu etablieren.
Abstract
(Englisch)
Entangled photons are at the heart of most quantum photonics applications, ranging from imaging techniques to quantum information processing. Although the efficient generation of entangled photons is essential in any application, deploying strategies that allow their distribution is necessary to enable real-world quantum communication applications. In particular, the development of multiplexing schemes based on entanglement in multiple degrees of freedom has been actively explored. This technique not only leads to the deployment of quantum channels over longer distances but also allows transmitting more information per photon and the establishment of novel quantum networks with multiple users. One widely used method in modern telecommunication infrastructures is space-division multiplexing. In optical communications, it can be achieved with multicore fibers (MCF), in which the light is guided through several cores of the same fiber strain. This will be an essential building block in modern communication networks since it can increase the data transmission in quantum communication protocols. This thesis presents three experiments exploring the entanglement distribution of polarization-entangled photons based on their spatial correlation through a MCF. The first experiment was conducted to characterize the spatial correlation of entangled photons at telecommunication wavelengths generated by spontaneous parametric down-conversion (SPDC). By controlling the crystal temperature, we can change the spatial propagation of photon pairs from collinear to noncollinear. This experiment provides a pathway for integrating such degrees of freedom over MCF. In the subsequent experiments, we distributed multiple polarization-entangled photon pairs simultaneously and independently using only one source of polarization-entangled photons and space multiplexing. Due to the 19 hexagonally-arranged cores and momentum conservation of the SPDC process, the diametrically opposite cores are ensured to share a polarization-entangled state with high fidelity. This makes it possible to estimate the secure key rate generated by opposite cores, which opens the door to establishing efficient quantum communication distribution.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Mehrkernfasern Quantenkommunikation Verschränkung Raummultiplexing Polarisationsverschränkung
Schlagwörter
(Englisch)
Multicore fibers quantum communication entanglement space-division multiplexing polarization entanglement
Autor*innen
Evelyn Aracely Acuña Ortega
Haupttitel (Englisch)
Space-division multiplexed entanglement distribution for applications in quantum communication
Paralleltitel (Deutsch)
Raummultiplex-Verschränkungsverteilung für Anwendungen in der Quantenkommunikation
Publikationsjahr
2023
Umfangsangabe
vii, 91 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Adam Vallés ,
Davide Bacco
AC Nummer
AC16969204
Utheses ID
66905
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 411 |